Fabricação aditiva negativa do complexo em forma de carbonetos de boro

Carboneto de boro (B₄. C), com um Vickers dureza de aproximadamente 38 GPa, é conhecido como o terceiro mais difícil material comercialmente disponível, atrás de diamantes (~ 115 GPa) e nitreto de boro cúbico (~ 48 GPa). Esta propriedade particular, juntamente com uma baixa densidade (2,52 g/cm³), o torna atraente para aplicações de defesa como de armaduras¹. B₄C também tem um alto ponto de fusão, resistência ao desgaste superior e absorção de nêutrons de alta cruz seção^2,3,4. No entanto, a utilização destas propriedades mecânicas favoráveis geralmente exige B₄C para ser sinterizado de alta densidade. Prensagem a quente é um método convencional para sinterização B₄C a densificação completa. Esta técnica é frequentemente limitada para geometrias simples com curvatura limitada e razoavelmente uniforme de espessura. Caro e trabalhoso usinagem com corte de ferramental ou laser de diamante policristalino é necessário apresentar características mais complexas ou mais finas.

Alternativamente, técnicas forma coloidais com pressão-menos sinterização podem produzir peças de densidade quase cheia que exigem mínima a não fazer à máquina. Devido à falta de pressão externa durante a consolidação, sinterização de SIDA é normalmente adicionadas ao meio de cerâmica para aumentar a eficácia de sinterização sem pressão. Carbono é comumente usado como um auxílio de sinterização para B₄C^5,6,7. Várias fontes de carbono, tais como nanopartículas pós ou produtos orgânicos carbonizados de pirólise, podem ser usadas. Distribuição homogênea do carbono sinterização ajuda ao longo dos limites de grão é um fator importante para a obtenção de sinterização uniforme de B₄C. Portanto, concentração de carbono e tamanho de partícula de₄C B são igualmente importantes e inter-relacionados fatores para sinterização de peças de alta densidade⁸.

Dentre as técnicas de forma coloidais mais promissoras para a obtenção de peças de cerâmicas em forma de complexas é gelcasting. Esta técnica envolve a carcaça de uma suspensão cerâmica com um monômero orgânico em um molde que se polimeriza em situ para atuar como um gel de^9,10,11. O gel serve como um ligante para formar um corpo verde com a forma do molde que é forte o suficiente para serem manipulados sem ruptura nas etapas de processamento subsequente. Anteriormente, geometrias de molde 3D impossível agora podem ser produzidas através de baixo custo baseado em polímero aditivo (AM) de fabricação técnicas como estereolitografia (SLA) e deposição fundida modelagem (FDM)¹². A recente disponibilidade de impressoras 3D abriu novas possibilidades para a concepção de cerâmica com geometrias complexas.

Fabricação aditiva negativa é uma técnica que combina gelcasting com moldes 3D-impresso sacrificiais. A complexidade da peça cerâmica está diretamente relacionada com a complexidade do design do molde. Projetos de molde podem agora ser incrivelmente sofisticados com o advento do plástico impressoras 3D de alta resolução. Por exemplo, ferramentas de digitalização em 3D pode ser usado para capturar os contornos do indivíduo e ser incorporado em moldes. Usando AM negativo, leves armaduras cerâmicas sob medidas para o tamanho do corpo do indivíduo e a forma podem ser criadas. Essas personalizações de projeto podem fornecer armaduras de peso mais leves com mobilidade aprimorada para os usuários.

Outras técnicas de AM cerâmicas comuns como tinta direta escrever (DIW), sinterização seletiva a laser (SLS) e o fichário jorrando (BJ) também são eficazes em produzir as peças de cerâmicas em forma de complexos. No entanto, a maioria destas técnicas só é úteis para a produção de estruturas porosas bem e não é eficientes quando escala até peças grandes, como armadura aplicações^{13,14,15,16, 17}. Além disso, a maioria destas técnicas não é viável para a produção de alto volume, devido às elevadas despesas. Portanto, AM negativo é uma rota preferencial e relativamente barata para produção em escala industrial de peças em grande escala.

As suspensões de₄C B usadas para gelcasting devem ser baixa em viscosidade e conter um gelificante e sinterização de auxílio. Resorcinol e formaldeído são escolhidos pela sua capacidade de sofrer reações de policondensação para formar uma rede de resorcinol-formaldeído (RF), que ajuda a unir as partículas de₄C B. Hidrogel tradicional usado para gelcasting limitam-se a moldes com núcleos ocos, devido o alto encolhimento interior experimentado durante a secagem do processo¹⁸. Desde que a RF é comumente usado como um aerogel, há pouco ou nenhum encolhimento, que permite o uso de moldes mais intricada em forma. Outra vantagem do uso de RF é que a taxa de gelificação pode ser controlada alterando o pH da suspensão (Figura 3). Além disso, suspensões contendo resorcina ou formaldeído podem ser preparadas em avançado e armazenados separadamente, até que estejam prontos para fundição. O mais importante, o gel de RF pode ser desperdiçado para deixar para trás 50 wt % carbono¹⁹. Esta distribuição altamente homogénea de carbono pode auxiliar a densificação da B₄C para densidades quase cheia durante a sinterização. 15% em peso de RF em relação ao carboneto de boro é usado na formulação da suspensão para fornecer 7,5% em peso de carbono após pirólise da parte do elenco.

O objetivo geral deste trabalho é combinar técnicas tradicionais gelcasting com capacidade de impressão 3D barata e um único agente de coagulação para obter densidade quase cheia de carboneto de boro peças com geometrias complexas. Além de cerâmica, AM negativo pode ser aplicado a outros campos materiais para criar inteiramente novas geometrias de sistemas multi materiais. A metodologia descrita aqui expande sobre os trabalhos apresentados no Lu et al ⁸ e tem como objetivo fornecer um protocolo mais detalhado para a reprodução desses resultados.